城市初期雨水污染处理技术研究

张 银

（淞际环境规划设计（上海）有限公司，上海 200233）

初期雨水是指在降雨初始时期的雨水，雨水通过淋洗大气，冲刷城市道路、各类建筑物、废弃物等，通过降雨径流冲刷携带各种污染物质进入河流、湖泊等受纳水体，加剧水体污染［1］。在降雨径流产生的污染中，初期雨水径流产生的污染物所占比例较大，污染物浓度较高，污染指数甚至会超出典型性城市污水［2-3］。因此，如何将城市初期雨水径流充分收集并适当处理利用，成为了一项很有前景和意义的课题。

国外对初期雨水的研究较早，提出并建立了比较完善的初期雨水处理和利用系统。美国和英国等一些国家相继提出“低影响开发”（LID）、“最佳管理措施”（BMPs）及“可持续城市排水系统”（SUDS），加强对城市初期雨水的治理［4-5］。我国初期雨水研究起步相对较晚，始于20世纪90年代对城市非点源污染的研究，随后在一些城市相继开展了相关研究。近年来，越来越多的学者结合海绵城市建设处理初期雨水。

1 初期雨水污染物的来源及特点

对雨水径流污染的影响因素较多，主要包括降雨时间、降雨强度、下垫面情况及降雨前期干燥时间等因素。降雨对城市下垫面累积污染物的冲刷作用形成大量污染物，城市地表径流主要是以透水和不透水地面径流为主。透水地面径流主要包括绿地、公园、透水铺装经过下渗饱和之后产生的地面径流，透水地面经过一定程度的下渗可以消减污染物浓度；而不透水地面径流主要以城市道路、厂区、建筑屋面等产生的地表径流为主，不透水地面经降雨径流产生的污染物是城市非点源污染的主要来源，其中屋面和道路初期雨水污染物浓度较高，污染较严重。

1.1 屋面雨水屋面初期雨水径流中污染物来源主要来源于2个方面，一方面为大气中的污染物，降雨前期屋面累积大气中的污染物，大气受到雨水的淋洗作用，大气中的溶解性物质会随雨水落到屋顶，另外，颗粒沉降物被雨水冲刷溶解到屋面径流中而对雨水造成污染。另一方面为建筑屋面本身材料带来的污染，不同的屋面材料产生的污染有所差异，在常见的屋面材料中，污染物浓度最高的为沥青屋面，其次是混凝土屋面，最后是瓦屋面［6］。Tsakovski［7］等对波兰港口锌屋面和瓦屋面的6种多环芳烃（PAHs）的总量进行了研究，结果显示，锌屋面PAHs总量为232.6ng∕L，瓦屋面为197ng∕L，径流污染物的浓度受屋面材料的影响。Athanasiadis［8］等研究结果表明，初期冲刷效果与屋面坡度有关，而与降雨量、降雨强度、前期干燥时间等降雨特征则无相关性。屋面径流中TN、TP浓度较低，但浊度、SS、COD浓度相对较高［9］。

1.2 道路雨水道路在城市建设中所占比例较大，路面产生的降雨径流污染物也较多，Darren研究发现［10］，道路产生最多的污染物是SS，其主要来自车辆轮胎的磨损、运输物的泄漏等，污染成分主要包括N、P、金属、有机和无机污染物等。ELLIS［11］等研究发现，道路对河流、湖泊等水体的污染贡献较大，其中35%～75%的重金属来自道路径流。陈莹［12］对西安主干道的道路降雨径流进行研究，研究发现地表径流冲刷的主要污染物有SS、COD，且浓度比一般生活污水要高，污染物浓度SS：421～7380mg∕L、COD：240～1640mg∕L。李立青［3］等对武汉汉阳地区集水区进行了水量水质的研究，结果表明，前30%的径流中含有的污染物浓度占整个降雨过程污染物浓度比例为TSS：52.2%～72.1%、COD：53%～65.3%、TP：45.8%～63.2%、TN：40.4%～50.6%。从表1也可见，COD、TSS等污染物是城市路面雨水中主要的污染物。

表1 不同城市道路雨水径流水质

2 初期雨水的处理技术与方法

2.1 源头减排

2.1.1 绿色屋顶 绿色屋顶是一种有效的屋面初期雨水污染处理措施，主要依靠土壤层和植物实现对屋面初期雨水的处理，有效去除大部分污染物，但去除营养物时效果不稳定。Beck［13］等在绿色屋顶的土壤中添加生物炭作为改良剂，来改善土壤中营养物的持留能力。研究显示，相比较一般土壤增加改良剂的土壤NO3-N、TP、TN的去除率高达79%～97%。李田［14］通过构建5个绿色屋面中试设施，考察不同介质组成的设施在实际降雨条件下出水水质状况并与降雨、沥青屋面径流、空白对照设施出水水质进行对比。

2.1.2 初期雨水弃流 初期雨水弃流是指通过一定方法或装置将存在初期冲刷效应、污染物浓度较高的初雨予以弃除，以降低雨水的后续处理难度。Kim［15］等通过研究韩国降雨水质发现，当雨水弃流量为5mm时，污染物的去除率高达80%。孟莹莹［16］等研究探讨了北京市屋面不同初期雨水弃流量对径流污染负荷的削减效果，通过对比选择2mm为屋面的初期雨水，其可以携带20%～45%的污染负荷。Yaziz［17］把0.33mm雨水量定义为屋面初期雨水弃流量。

2.1.3 路面清扫 路面清扫是城市路面维护的日常工作，可以有效减少路面树叶、垃圾等。但是许多学者研究证明，路面清扫在降低路面径流污染负荷方面作用有限。Sartor［18］等研究结果显示，一般的清扫工作对路面累积污染物的去除率最大为30%，虽然对小粒径的颗粒去除效果不佳，但对粒径大于246µm的颗粒物的去除效果显著。Helmreich［19］对德国道路产生的径流研究发现，道路清扫对路面径流中SS的消减有一定作用，清扫频次影响SS浓度，清扫频次较高情况下，SS等污染物不会随着降雨前期干燥时间的增加而明显增加。

2.1.4 透水铺装 渗透铺装是一种典型的LID措施，可有效降低城市不透水面积，增加雨水的渗透量，透水铺装应用范围广、施工方便，有一定的削减峰值流量和净化雨水的作用。BEAN［20］等研究发现，在有透水铺装的情况下，降雨径流出水水质TP、TN、SS的浓度较低，但NO3-N的浓度较高。金建荣［21］建造了3种不同透水铺装，考察其对径流中污染物的去除效果，结果显示，3中透水铺装对径流中TSS、COD起到很好的截留、过滤作用；对重金属及石油类的去除产生一定效果，其中Mn、Cu、Zn及石油类的平均去除率分别达到84%、62%、59%、65%；而对Cr与Pb的去除效果较差，平均去除率仅为43%、42%。

2.2 过程控制

2.2.1 植草沟 植草沟是景观性地表沟渠排水系统，通过植草沟的滞留、过滤和渗透作用，可以去除初期雨水中的颗粒和部分溶解态污染物。水力停留时间主要影响颗粒污染物的去除，YU［22］等研究发现，水力停留时间越长，污染物去除效果越明显，停留10、18min的SS去除率分别为74.4%、97.2%。在实际运用中，标准传输植草沟和干植草沟的水力停留时间一般分别为6～8min和24h。有研究表明，60m长的植草沟对SS、碳氢化合物和重金属的去除率分别为80%、75%、46%～67%［23］。植草沟长度越长，污染物的去除能力越好，但也会增加建设成本。为了保证污物的去除效率，植草沟的最小长度为30m。段进凯［24］等利用基质层厚度30cm的干植草沟模拟柱，通过在基质层添加较多发酵木屑同时设置饱水层，对TN去除效果较好，去除率达到67%～78%，去除过程主要发生在进水期。

2.2.2 植被缓冲带 植被缓冲带对污染物去除效果良好，对污染物的去除机理包括植被过滤、可溶物入掺和SS沉积等。Peterjohn［25］等研究发现，初期雨水在经过19m长的植被缓冲带后，可以去除74%的TP、60%的TN、58%的可溶性P。与没有种植植被的缓冲带相比，植被缓冲带对N、P和其他污染物去除效果更好［26］。植被密度增加，可以减缓水流速率，增加污染物的滞留时间，能更好地降解污染物浓度。Jin［27］等研究发现，缓冲带植被的密度从2500束∕m2增加到10000束∕m2时，SS的去除率提高了45%。植被缓冲带坡度越低，接触时间越长，污染物的去除效果越好，适宜的坡度为2°～6°，污染物的去除效果最好，宽度不宜小于2m，部分研究认为20m宽度的植被缓冲带初期雨水截流效果最好。Bhattarai［28］等将植被缓冲带与排水系统相结合，在地下1.2m构建厌氧环境，可去除85%的磷酸盐。

2.2.3 下凹式绿地 下凹式绿地作为暴雨最佳管理措施（BMPs）的一种，在雨水利用和生态雨水排放系统方面作用显著。叶水根［29］等对下凹式绿地在1倍汇水面积的情况下，对10、50和100年一遇的暴雨的研究表明，下凹式绿地的蓄渗、减洪效果极为明显。朱永杰［30］等通过研究北京地区不同汇水面积周边外来雨水径流，计算绿地产流过程的动态径流系数及对径流的削减率。通过采用人工模拟的下凹式绿地，模拟不同暴雨强度下下凹式绿地对径流的消减，绿地产流后动态径流系数先呈递增趋势，然后趋于稳定，绿地的产流速率变化过程曲线呈“几”字形。张光义［31］等通过研究上海市下凹式绿地的蓄渗效率与下凹深度关系时发现，上海地区绿地下凹深度在80～160mm可达到最佳效果。

2.3 末端治理

2.3.1 生物滞留池 生物滞留池有利于削减径流量、降低污染物浓度，去除初期雨水中的大多数污染物。Com⁃ings［32］等研究发现，滞留水塘对径流中的TSS、P、Pb、Zn去除率分别为82%、47%、73%、71%，去除效果明显。刘雨童［33］等通过研究利用生物滞留设施去除上海市城市道路的径流污染物，结果表明，生物滞留池主要通过滤作用，起到对TSS的去除效果，大部分TSS被截留在介质表面及0～10cm处［34］。

2.3.2 雨水调蓄池 雨水调蓄池是指具有雨水储存功能的集蓄利用设施，同时也具有削减峰值流量作用，主要包括钢筋混凝土蓄水池，砖、石砌筑蓄水池及塑料蓄水模块拼装式蓄水池，用地紧张的城市大多采用地下封闭式蓄水池。对于城市化雨水排水系统地区，建设雨水调蓄池是治理初期雨水的重要举措，通常采用雨水系统集中排放。雨水调蓄池一般结合道路广场、停车场、绿地、公园、城市水系等公共区域修建［35］。

3 结语

雨水是珍贵的非常规水源，加强对初期雨水的综合处理和利用，能够降低径流污染、改善水环境，且能够在一定程度上减缓城市水资源短缺的问题。随着海绵城市的建设，越来越多的学者关注和研究初期雨水的处理技术措施。经过发展与改进，初雨治理技术在改善水质方面起到了一定的效果。但总的来说，初期雨水污染处理技术的应用还不是很广泛，研究还有待深入，提高其处理效率和增加在工程中的应用是今后研究的重点。因此，今后应充分发挥区域绿色基础设施作用，结合海绵城市建设，通过“蓄、渗、滞、净、用、排”等措施，以有效降低径流污染。